CN1881075A - 一种x射线数字成像的校正方法 - Google Patents

一种x射线数字成像的校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及数字成像技术领域，具体涉及一种X射线数字成像的校正方法。本发明根据对成像链的物理学分析，利用数学模型对数字平板进行漂移校正，空间非均匀性校正，坏点校正后，可获得稳定、完整、正确地反映入射X射线信息的数字图像，这种图像可用于图像存储及表达。本发明通过图像预处理可以校正直接数字成像系统固有的系统性缺陷从而达到改善成像效果的目的。

Description

一种X射线数字成像的校正方法
技术领域
本发明涉及数字成像技术领域，具体涉及一种X射线数字成像的校正方法。
背景技术
平板探测器是最近几年被引入到医用X-ray领域的，通过CsI:Tl闪烁体把X-ray转化为可见光，随后通过a-Si光电二极管转换为电荷。电荷随后被放大和数字化而读出，从而可以获得高质量的图像。目前在医用X-ray领域数字成像系统中使用的大多数是这类探测器。
由于直接数字成像系统以大规模固体探测器阵列为图像获取部件，因此不可避免的会遇到漂移(offset)，空间非均匀性(Gain)，坏点(defect point)，非线性响应等固体探测器阵列固有的缺陷，如何对上述缺陷加以恰当的修正成为直接数字成像系统设计中一项十分重要的问题。
1.探测器的漂移(offset)：影响探测器工作的环境因素随时间的变化如温度，湿度，气压，电磁环境等会导致探测器的输出的变化，这些变化称为探测器的漂移。
2.探测器图像的空间非均匀性(Gain)：造成探测器成像不均匀的原因主要有以下三个方面的原因
1)虽然在线性曝光剂量范围内探测器单个像元的X射线响应是线性的，但不同像元的X射线响应系数并不完全一致，从而导致图像不均匀。
2)行驱动电路，读取放大器，A/D转换器等外围电路的不一致导致的图像不均匀。
3)入射X射线本身固有的空间分布不均匀性导致的图像不均匀。
这几类非均匀性尽管在图像上的表现不同但都属系统性的不均匀，在一定的限度内可以通过软件处理来加以校正。
3.探测器坏点(defect point)：直接数字成像探测器以其像元对于X射线的线性响应为成像基础，如果某一像元对X射线的照射不响应或响应不良(存在明显的非线性)则称其为坏点(defect point)。一个直接数字成像探测器通常由数百万个像元构成，要制造一个不存在任何坏点的探测器几乎是不可能的，出于成本的考虑允许探测器存在一定数量的坏点可以使成品率大幅度提高，通常可以根据不同探测器的物理特性及图像质量要求来确定坏点的接收准则，在使用过程中探测器还会产生新的坏点。探测器坏点按其几何形状可分为点状分布坏点(包含单点，双点，多点)，线状分布坏点(单线，双线)，以及区域面状分布坏点。这些坏点可由转换层的缺陷，二极管阵列单元损坏或行列驱动线及放大器损坏引起，有的探测器由于采用了多板拼接工艺也会存在拼接工艺线，此类工艺线也纳入线状坏点的范畴。对于每一具体的探测器类型而言制造商均制定了针对不同坏点类型的详细的接收规范规定每种坏点的数量，分布及位置关系作为探测器合格与否的判断依据。
根据对成像链的系统分析，得知探测器平板的固有缺陷，这些缺陷如果未进行系统校正，会影响最终图像质量。
发明内容
为此，本发明提供了一种X射线数字成像的校正方法，其根据对成像链的物理学分析，利用数学模型对数字平板进行Offset、Gain、Defect校正，以达到改善成像效果的目的。
本发明提供的一种X射线数字成像的校正方法具体表达如下：
1.探测器图像的漂移校正(offset calibration)及空间非均匀性校正(gain calibration)。
①漂移校正及空间非均匀性校正基于以下的原理：曝光后所获得的探测器输出Prow＝Px+Poffset；Poffset为曝光时所采集图像中暗电荷引起的像元值，Px为由X射线照射所引起的实际像元值及有用像元信息值。故Px＝Prow-Poffset，而式中的Poffset在图像采集时是没法直接得到，由于Poffset由外界环境变化所导致因而是渐变的，它可以用曝光前采集的暗图像像元值P‘offset来近似。因此实际的曝光图像可用曝光后和曝光前所采集的两幅图像相减来获得。
②基于在应用范围内探测器像元的响应是线性的特性，Pxn＝AnX，An为该像元的转换系数。由于不同的像元An不完全相同，所以Pxn并不能代表像元处入射X射线的真实大小。因此还需求出各像元的An来加以修正。An可以用标准剂量的均匀X射线曝光采集来获得及An＝PNgain/Xgain。PNgain为在标准Xgain剂量下所采集的参考图像。通过应用参考图像的修正，最终可获得入射X射线所包含的真实信息。由于An在探测器的工作过程中是长期保持稳定的，因此仅需定期采集参考图像即可。
综上所述可以采用以下的计算方法来完成漂移校正及空间非均匀性校正。
Pn＝C(PNrow-PNrawoffset)/(PNgain-PNgainoffset)
Pn：校正后最终像元值
PNrow：曝光后采集获得的像元值
PNrowoffset：曝光前的暗像元值
PNgain：参考图像曝光采集值
PNgainoffset：参考图像曝光前所采集的暗像元值
C为一个常数通常可通过设定标准剂量下图像目标亮度值来确定。
采用以上的校正方法逐点校正整幅图像即可获得稳定的反映入射X射线真实信息的数字化图像。
2.探测器坏点校正(defect calibration)
a.首先对探测器坏点的标定：由于探测器坏点指哪些对X射线不响应或响应不良的点，因此可以采用标准参考均匀X射线Xdefect剂量下采集以检出对X射线不响应的坏点，然后分别在2倍defect、50倍defect及60倍defect剂量下曝光采集以检出响应不线性的坏点；由于经过漂移校正及空间非均匀性校正后获得的均匀剂量下的图像P应呈现以平均亮度P0为期望值，标准差为δ的正态分布。对于分布在nδ之外的像元则标定为坏点，n的取值通常为2～4之间，由设计者选定。通过以上的步骤即可获得标定了所有坏点位置的坏点图(defect map)。接下来根据得到的坏点图，利用插值算法进行修正，这一步校正工作在完成漂移校正及空间非均匀性校正后进行。
b.探测器坏点的校正：坏点校正的基本方法为采用临近像素插值法进行修正，但必须考虑该点周围像元的状况(临近有无其他坏点)选用不同的插值算法，通常由设计者根据探测器制造商提供的接收准则及自身试验结果来设计，在此不详细介绍。
另外，在探测器坏点校正中有以下几个方面的因素需要加以关注：
1)探测器MTF越高则坏点校正的伪影越严重，因为MTF越高临近像元包含本像元的信息越少(信息的点扩散函数)，极端情况下坏点位置的图像信息将完全丢失不能由临近像元插值获得。因此应根据探测器MTF来制定插值方案。
2)应根据像元密度梯度来调整插值的权重，每一坏点周围有8个临近像元(16个次临近像元)存在4个梯度方向(水平，垂直，左斜，右斜)，对于密度梯度较小的方向可给予较高的权重或者仅采用此方向插值，可减小插值带来的伪影。
3)设定插值算法的限定条件，对于不能满足条件的坏点则放弃插值(如临近坏点太多)。以避免因插值带来的信息错误。
由此可见，经过漂移校正，空间非均匀性校正，坏点校正可获得稳定、完整、正确地反映入射X射线信息的数字图像，这种图像被称为洁净图像(clean image)，可用于图像存储及表达。获得洁净图像的过程通常称为图像的预处理。
综上所述，通过图像预处理可以校正直接数字成像系统固有的系统性缺陷从而达到改善成像效果的目的。
下面，结合附图和实施例详细说明依据本发明提出的具体方法的细节及工作情况。
附图说明
图1为本发明的维护界面图。
图2为本发明的校正界面图。
图3为本发明的进行漂移校正界面图。
图4为本发明的进行非线性校正界面图。
图5为本发明的进行坏点校正界面图。
图6-1为本发明一实施例的校正流程图。
图6-2为本发明的图像校正流程图。
图7为本发明一实施例的校正数据流图。
图8为本发明未经校正原始图像。
图9为本发明经校正后的图像。
图10表示坏点信号可以被相邻点捕捉。
具体实施方式
如附图6-7所示，本发明提供了一种X射线数字成像的校正方法，其包括下列步骤：
一、开始采集图像数据，得到原始图像；
二、对上述原始图像进行漂移校正；
三、对上述原始图像进行空间非均匀性校正；
四、对上述原始图像进行坏点校正；
五、最后得到洁净图像可用于图像存储及表达。
本发明实施例使用的平板探测器采用Trixell公司提供的Pixium 4600型平板探测器进行校正，外部环境是在恒温操作室中，探测器通电4个小时后，探测器温度基本稳定不变下进行的。射线源到平板的S工D的距离是150cm，采用21mm的铝过滤器，并且发生器的设置是70kV用来进行gain和defect校准。
本发明提供的一种X射线数字成像的校正方法中所述的漂移校正(offset calibration)及空间非均匀性校正(gain calibration)步骤如下：
曝光后所获得的探测器输出Prow＝Px+Poffset；Poffset为曝光时所采集图像中暗电荷引起的像元值，Px为由X射线照射所引起的实际像元值及有用像元信息值；故Px＝Prow-Poffset，而式中的Poffset在图像采集时是没法直接得到，由于Poffset由外界环境变化所导致因而是渐变的，它可以用曝光前采集的暗图像像元值P‘offset来近似，因此实际的曝光图像可用曝光后和曝光前所采集的两幅图像相减来获得；
基于在应用范围内探测器像元的响应是线性的特性，Pxn＝AnX，An为该像元的转换系数；由于不同的像元An不完全相同，所以Pxn并不能代表像元处入射X射线的真实大小，因此还需求出各像元的An来加以修正，An可以用标准剂量的均匀X射线曝光采集来获得及An＝PNgain/Xgain。PNgain为在标准Xgain剂量下所采集的参考图像；通过应用参考图像的修正，最终可获得入射X射线所包含的真实信息；由于An在探测器的工作过程中是长期保持稳定的，因此仅需定期采集参考图像即可；
其可通过下列计算方法来完成漂移校正及空间非均匀性校正；
Pn＝C(PNrow-PNrawoffset)/(PNgain-PNgainoffset)
Pn：校正后最终像元值
PNrow：曝光后采集获得的像元值
PNrowoffset：曝光前的暗像元值
PNgain：参考图像曝光采集值
PNgainoffset：参考图像曝光前所采集的暗像元值
C为一个常数通常可通过设定标准剂量下图像目标亮度值来确定。
采用以上的校正方法逐点校正整幅图像即可获得稳定的反映入射X射线真实信息的数字化图像。
本发明提供的一种X射线数字成像的校正方法中所述的探测器坏点校正(defect calibration)步骤如下：
a.首先对探测器坏点的标定：由于探测器坏点指哪些对X射线不响应或响应不良的点，因此可以采用标准参考均匀X射线X defect剂量下采集以检出对X射线不响应的坏点，然后分别在2倍defect、50倍defect及60倍defect剂量下曝光采集以检出响应不线性的坏点；由于经过漂移校正及空间非均匀性校正后获得的均匀剂量下的图像P应呈现以平均亮度P0为期望值，标准差为δ的正态分布；对于分布在nδ之外的像元则标定为坏点，n的取值通常为2～4之间，由设计者选定；通过以上的步骤即可获得标定了所有坏点位置的坏点图(defect map)。接下来根据得到的坏点图，利用插值算法进行修正，这一步校正工作在完成漂移校正及空间非均匀性校正后进行；
b.探测器坏点的校正：坏点校正的基本方法为采用临近像素插值法进行修正，但必须考虑该点周围像元的状况(临近有无其他坏点)选用不同的插值算法，通常由设计者根据探测器制造商提供的接收准则及自身试验结果来设计。
本发明提供的一种X射线数字成像的校正方法中所述的探测器坏点校正(defect calibration)步骤还有以下几个方面的因素需要加以关注，如附图10所示：
1、探测器MTF越高则坏点校正的伪影越严重，因为MTF越高临近像元包含本像元的信息越少(信息的点扩散函数)，极端情况下坏点位置的图像信息将完全丢失不能由临近像元插值获得；因此应根据探测器MTF来制定插值方案。
2、应根据像元密度梯度来调整插值的权重，每一坏点周围有8个临近像元(16个次临近像元)存在4个梯度方向(水平，垂直，左斜，右斜)，对于密度梯度较小的方向可给予较高的权重或者仅采用此方向插值，可减小插值带来的伪影。
3、设定插值算法的限定条件，对于不能满足条件的坏点则放弃插值(如临近坏点太多)。以避免因插值带来的信息错误。
由此可见，经过漂移校正，空间非均匀性校正，坏点校正可获得稳定、完整、正确地反映入射X射线信息的数字图像，这种图像被称为洁净图像(clean image)，可用于图像存储及表达。获得洁净图像的过程通常称为图像的预处理。
本发明提供了一种X射线数字成像的校正方法具体操作步骤表达如下：
如图1所示，打开本发明的维护界面；点击校准，如图2所示出现校准界面；以下就是进行本发明校正的具体过程，首先进行漂移校正，如图3所示这步不需要x射线下采集，点击校正，软件自动采集当前环境下的暗图像。共3幅图像，取平均；
下一步进行空间非线性gain校正，如图4所示，点击校正，在标准的、均匀的X射线剂量5uGy下(软件会自动提示用户采用此剂量)，连续采集12幅x射线图像，每采集一幅图像，软件自动和前获得的漂移图像进行处理，得到Pgainoffset图像；
最后进行坏点defect校正，如图5所示，点击采集图像，分别在剂量0.6uGy、1.2uGy、30uGy和36uGy条件下采集4幅图像，得出坏点分布图，最后点击校正，本发明根据数学模型进行插值计算出坏点图像。
此外，本发明提供的一种X射线数字成像的校正方法设置每隔固定时间自动进行offset校正，一般设置为间隔2分钟，不断的消除周围环境带来的不利影响。
经过以上步骤操作，可以对平板成像探测器作校正。而且明显的减少了相邻放大器通道和相邻放大器芯片的空间上不同的非线性。经过实际临床使用得到了很好的效果。
当然，随着平板探测器的二极管阵列的不断积累电荷然后被读取，肯定会出现新的非线性区域和坏点等，这就需要不断的对平板进行校正，大概时间是半年需要校正一次，这步工作需要专业人员操作。
举例说明，图8-9两幅图像分别是利用平板探测器采集的两幅DR图像，图8是采集的原始图像，其中包括：1、坏点；2、非线性区域；3、平板拼接缝；4、坏线。而图9是经过本发明方法校正后的图像；两幅图像都是在同样的外部环境下，同样的x射线质下采集的图像。其中发生器条件是50kv、3.3mAs。SID距离一样。由上述两个图像可见，经过本发明的漂移校正，空间非均匀性校正，坏点校正可获得稳定、完整、正确地反映入射X射线信息的数字图像，这种图像被称为洁净图像(clean image)，可用于图像存储及表达。

Claims (6)

1、一种X射线数字成像的校正方法，其特征在于该校正方法包括下列步骤：
一、开始采集图像数据，得到原始图像；
二、对上述原始图像进行漂移校正；
三、对上述原始图像进行空间非均匀性校正；
四、对上述原始图像进行坏点校正；
五、最后得到洁净图像用于图像存储及表达。
2、根据权利要求1所述的一种X射线数字成像的校正方法，其特征在于所述的漂移校正及空间非均匀性校正步骤如下：
曝光后所获得的探测器输出Prow＝Px+Poffset；Poffset为曝光时所采集图像中暗电荷引起的像元值，Px为由X射线照射所引起的实际像元值及有用像元信息值；故Px＝Prow-Poffset，而式中的Poffset在图像采集时是没法直接得到，由于Poffset由外界环境变化所导致因而是渐变的，它可以用曝光前采集的暗图像像元值P‘offset来近似，因此实际的曝光图像可用曝光后和曝光前所采集的两幅图像相减来获得；
基于在应用范围内探测器像元的响应是线性的特性，Pxn＝AnX，An为该像元的转换系数；由于不同的像元An不完全相同，所以Pxn并不能代表像元处入射X射线的真实大小，因此还需求出各像元的An来加以修正，An可以用标准剂量的均匀X射线曝光采集来获得及An＝PNgain/Xgain。PNgain为在标准Xgain剂量下所采集的参考图像；通过应用参考图像的修正，最终可获得入射X射线所包含的真实信息；由于An在探测器的工作过程中是长期保持稳定的，因此仅需定期采集参考图像即可；
其可通过下列计算方法来完成漂移校正及空间非均匀性校正；
Pn＝C(PNrow-PNrawoffset)/(PNgain-PNgainoffset)
Pn：校正后最终像元值
PNrow：曝光后采集获得的像元值
PNrowoffset：曝光前的暗像元值
PNgain：参考图像曝光采集值
PNgainoffset：参考图像曝光前所采集的暗像元值
C为一个常数通常可通过设定标准剂量下图像目标亮度值来确定。
3、根据权利要求1所述的一种X射线数字成像的校正方法，其特征在于所述的坏点校正步骤如下：
a.首先对探测器坏点的标定：由于探测器坏点指哪些对X射线不响应或响应不良的点，因此可以采用标准参考均匀X射线Xdefect剂量下采集以检出对X射线不响应的坏点，然后分别在2倍defect、50倍defect及60倍defect剂量下曝光采集以检出响应不线性的坏点；由于经过漂移校正及空间非均匀性校正后获得的均匀剂量下的图像P应呈现以平均亮度P0为期望值，标准差为δ的正态分布。对于分布在nδ之外的像元则标定为坏点，n的取值通常为2～4之间，由设计者选定；通过以上的步骤即可获得标定了所有坏点位置的坏点图(defect map)；接下来根据得到的坏点图，利用插值算法进行修正，这一步校正工作在完成漂移校正及空间非均匀性校正后进行；
b.探测器坏点的校正：坏点校正的基本方法为采用临近像素插值法进行修正，但必须考虑该点周围像元的状况(临近有无其他坏点)选用不同的插值算法，通常由设计者根据探测器制造商提供的接收准则及自身试验结果来设计。
4、根据权利要求3所述的一种X射线数字成像的校正方法，其特征在于所述的坏点校正步骤中需要加以关注如下问题：
a、探测器MTF越高则坏点校正的伪影越严重，因为MTF越高临近像元包含本像元的信息越少(信息的点扩散函数)，极端情况下坏点位置的图像信息将完全丢失不能由临近像元插值获得；因此应根据探测器MTF来制定插值方案；
b、应根据像元密度梯度来调整插值的权重，每一坏点周围有8个临近像元(16个次临近像元)存在4个梯度方向(水平，垂直，左斜，右斜)，对于密度梯度较小的方向可给予较高的权重或者仅采用此方向插值，可减小插值带来的伪影；
c、设定插值算法的限定条件，对于不能满足条件的坏点则放弃插值(如临近坏点太多)；以避免因插值带来的信息错误。
5、根据权利要求1所述的一种X射线数字成像的校正方法，其特征在于该校正方法包括下列步骤：
a、打开维护界面；点击校准，出现校准界面；以下就是进行校正的具体过程：首先进行漂移校正，这步不需要x射线下采集，点击校正，软件自动采集当前环境下的暗图像，共3幅图像，取平均；
b、下一步进行空间非线性gain校正，点击校正，在标准的、均匀的X射线剂量5uGy下，连续采集12幅x射线图像，每采集一幅图像，自动和前获得的漂移图像进行处理，得到Pgainoffset图像；
c、最后进行坏点defect校正，点击采集图像，分别在剂量0.6uGy、1.2uGy、30uGy和36uGy条件下采集4幅图像，得出坏点分布图，最后点击校正，根据数学模型进行插值计算出坏点图像。
6、根据权利要求1所述的一种X射线数字成像的校正方法，其特征在于该校正方法设置每隔固定时间自动进行offset校正，一般设置为间隔2分钟。
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